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7.2.3.2-Analisi dell’integrabilità di reattori catalitici a membrana in sistemi di generazione con cattura della CO2

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7.2.3.2-Analisi dell’integrabilità di reattori catalitici a membrana in sistemi di generazione con cattura della CO2

Il rapporto illustra uno studio svolto dal CESI nell’ambito di un Sottoprogetto della Ricerca di sistema (RdS), dal titolo "Mitigazione delle emissioni di CO 2 nella generazione di energia elettrica". In questo un tema di interesse è la valutazione tecnica ed energetica di possibili opzioni per la riduzione delle emissioni di CO 2 delle centrali mediante sistemi di separazione della stessa a monte del processo di combustione (opzione nota come decarbonatazione del combustibile antecombustione). Studi già precedentemente svolti (anche nell’ambito della Ricerca di Sistema stessa [1, 2, 3]) hanno evidenziato che per gli impianti di produzione di energia elettrica a ciclo combinato alimentati sia a syngas da carbone che a gas naturale, al fine di ridurre le emissioni di CO 2 , è preferibile adottare tecniche di decarbonatazione del combustibile, anziché ricorrere all’estrazione della CO 2 dai fumi. Si evita in tal modo di dover trattare, con processi chimici costosi e molto energivori, ingenti volumi di fumi nei quali la CO 2 è molto diluita. Le tecnologie di maggior interesse a tal proposito applicabili ai cicli combinati alimentati a gas (GTCC) sono costituite dai processi di Reforming e Water Gas Shift (WGS) del gas naturale per la produzione di idrogeno e CO 2 , seguiti da un processo di separazione idrogeno-CO 2 , dall’utilizzo dell’idrogeno come combustibile del TG del ciclo combinato e dall’invio della CO 2 al previsto confinamento. In questo contesto, l’attività qui descritta è volta a valutare l’applicabilità e l’integrabilità (da un punto di vista essenzialmente tecnico) negli impianti di generazione di energia elettrica GTCC della tecnologia emergente dei reattori catalitici a membrana (CMR) per ottenere la produzione dell’idrogeno e la sua contestuale separazione dalla CO 2 . La tecnologia dei CMR, permettendo di combinare in un’unica apparecchiatura due distinti processi quali la conversione chimica catalizzata (reazioni di reforming e di shift) per la produzione di idrogeno da idrocarburi leggeri e la separazione dalla CO 2 dell’idrogeno prodotto dalle reazioni, dovrebbe consentire di migliorare le rese dei due processi e di abbatterne dei relativi costi. Nello studio è stata valutata l’integrabilità di un ipotetico reattore di reforming di gas naturale di tecnologia CMR (basato su catalizzatori convenzionali di steam reforming e membrane di separazione dell’idrogeno ad esempio del tipo Pd Ag) in un ciclo combinato di ridotte emissioni di CO 2 . Sono state in particolare determinate mediante modellazione, e quindi tra loro confrontate, le prestazioni elettriche ed ambientali di due possibili configurazioni impiantistiche, entrambe basate sull’impiego di un reattore di reforming CMR che produce ad alta pressione l’idrogeno che alimenta direttamente un ciclo combinato quasi convenzionale: le due configurazioni modellizzate si differenziano principalmente per il

tipo di combustibile alimentato al bruciatore del CMR (necessario per fornire il calore di reazione richiesto dal processo di reforming, che come noto è un processo fortemente endotermico). In un caso viene alimentato al bruciatore lo stesso metano che alimenta l’impianto; nell’altro caso invece il combustibile è costituito dallo stesso gas prodotto dal CMR (essenzialmente idrogeno e vapor d’acqua) che alimenta il combustore del turbogas. I due casi modellizzati differiscono ovviamente per la frazione di CO 2 catturabile, poiché la CO 2 prodotta dal bruciatore del reformer, quando questo è alimentato a metano anziché ad idrogeno, viene rilasciata interamente all’atmosfera assieme alla corrente di fumi. Dal confronto dei risultati ottenuti dalle modellazioni è stato possibile identificare la configurazione d’impianto che presenta la migliore prestazione in termini di efficienza elettrica netta complessiva (46.8 % per quella con bruciatore alimentato a metano) e quella che presenta la migliore prestazione in termini di percentuali di cattura della CO 2 (90.8 % per quella con bruciatore alimentato ad idrogeno).

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